沙特NEOM隧道項目地震波法超前地質預報技術*

樊清峰

(中國鐵建國際集團有限公司,北京 100039)

1 工程概況

沙特NEOM隧道項目共6座斜井,總長8 415m,為兩座28km長并行單洞雙線高速鐵路和貨運鐵路的先期工程,于2021年7月開工建設。隧道埋深20～380m,洞身圍巖主要為安山巖、花崗巖及砂巖地層,巖性比較單一,局部存在破碎帶,無其他不良地質,地下水不發育,局部存在基巖裂隙水,如表1所示。

表1 隧道巖性及埋深Table 1 Tunnel lithology and overburden

土建部分設計、施工均遵循英標(BS)和歐標(EN)規范標準及沙特當地標準。施工圖設計時,斜井范圍內未進行地面鉆孔探明地質,只是根據區域地質、現場調查及正洞地面鉆孔初步對圍巖及襯砌支護類型進行預測。施工期間洞內通過超前探孔及開挖后進行地質素描,根據Q值法[1]重新定義支護類型。

目前國內超前地質預報技術比較成熟,主要是通過超前水平鉆探法、TSP地震波法、地質雷達法、紅外探水等方法[2],探明隧道掌子面前方圍巖巖性、節理構造、圍巖完整性、風化程度及地下水發育情況[3],確定合理的隧道支護參數或采取必要的超前支護措施,從而預防塌方、涌水等事故。

在本項目執行初期,每個預報循環打設3根超前鉆孔,鉆孔時間需要約3h,每次只能預報掌子面前方30m的地質情況,平均占用每個開挖循環時間45min。該項目施工技術標準高、工期緊,要求項目團隊采取各種措施盡力縮短工期。因此,項目部考慮采用地震波超前地質預報代替超前水平鉆探法,其優缺點對比如表2所示[4]。

表2 地震波法和超前水平鉆探法對比Table 2 Comparison between TSP and advanced horizontal drilling method

2 超前水平鉆探法設計方案

2.1 洞口段超前地質預報方案

超前鉆孔應使用三臂臺車沖擊鉆孔,最小直徑51mm。每組設置3個鉆孔,分別位于拱頂和隧道中心線兩側各5m處,呈45°向上傾斜(見圖1),沿隧道縱向最大間距為5m。拱頂探孔至少長8m,兩側探孔至少長10m,鉆孔每隔1m放1組巖屑。

圖1 洞口超前鉆孔Fig.1 Advanced drilling hole at portal

鉆孔數據包括鉆進速率、頂推壓力、回轉壓力、沖洗回料的顏色、巖屑記錄及水的損失或增加。探測孔完成后至少觀察30min是否有地下水流入的現象,然后進行灌漿回填。如洞口附近隧道埋深小于5m,需要增加1組洞口超前鉆孔,直到埋深大于5m。

2.2 洞身段超前地質預報方案

2.2.1鉆孔方案和記錄

根據施工圖設計說明中要求:每個循環至少設置3個超前鉆孔,最小直徑38mm,超前預報距離最小20m,每循環搭接至少10m,即超前預報鉆孔長30m(見圖2)。超前水平鉆孔現場采用三臂臺車施工,鉆孔直徑64mm,每次鉆孔長度30～40m。

圖2 超前鉆孔平面Fig.2 Plane of advanced drilling hole

鉆孔記錄需要包含以下內容:每個鉆孔的位置、方位和長度;鉆速和鉆孔長度的關系圖;地下水出水點的位置、性質和數量;任何靜態條件變化的位置和程度;每隔最多1m沖洗回料的類型/顏色;任何其他相關發現。

2.2.2鉆孔數據及巖性分析

三臂臺車鉆孔數據自動導出至excel表格,然后生成推進速度、回轉壓力、沖擊壓力、推進壓力、水壓力及水流量等曲線圖,據此進行巖性變化分析。

2.2.3地下水監測及注漿止水

根據設計要求,若開挖過程中有地下水,需在鉆孔完成1h后測量出水量。當出水持續大于24h,每個孔(長20m)的出水量大于120L/min時,應采用水泥漿或化學漿液注漿止水。注漿完成后,打設2根檢查孔(長20m),檢查孔內水流速度小于60L/min即可停止注漿。

當出水量較大時,注漿管需配置相應的止水裝置,防止大量高壓水沖出造成人員受傷和機械設備損失。本項目施工過程中,各支洞出水量不大,均未達到超前注漿條件。

3 地震波法超前預報方案

地震波法試用范圍廣,地質條件軟硬均適用,尤其是斷層、軟硬巖接觸面等不良地質[5-7],地震波反射信號更加明顯。通過對信號進行分析,可預測掌子面前方圍巖和地下水的特征。

3.1 超前地質預報試點選擇

結合地質條件、線路條件、隧道埋深、施工進展等,選擇2號斜井和4號斜井作為超前地質預報試點,分別代表本項目東、西部兩個地質區。2號斜井可作為1～3號斜井的代表,4號斜井可以作4～6號斜井的代表。

3.2 地震波法施工工序

1)爆破孔和接收孔的布置

為避免占用關鍵路徑時間,在掌子面施作超前鉆孔的同時,進行邊墻爆破孔卷尺測量、標識邊墻24個爆破孔(孔位距地面1m,第1個孔距離掌子面5.5m,孔深1.5m,間距1.5m,向下直徑45～48mm),盡量選擇障礙物(水管、風管、避車洞等)少的一側邊墻(面向掌子面左側)打設,并且在兩側邊墻同一里程處打兩個接收孔(接收孔距離掌子面50～55m,孔深2m,直徑48～50mm),爆破孔和接收孔應在同一直線上,如圖3,4所示。

圖3 觀測系統平面布置Fig.3 Plane layout of observation system

圖4 觀測系統三維示意Fig.4 Three-dimensional of observation system

2)鉆孔

爆破孔可采用手持風鉆在掌子面鉆爆破孔時同步施作,平均每個孔成孔時間在15～20min。由于巖石較硬,鉆孔速度較慢,可采用三臂臺車鉆孔,即三臂臺車完成掌子面爆破孔后,同步完成臨近開挖循環的引爆孔鉆孔。

3)TSP操作人員進場

打孔完畢后,通知TSP操作人員進入現場。操作人員進入現場后,首先檢查兩個接收器孔是否合格。檢測合格后現場安排1名人員逐一測量爆破孔。

4)裝藥

完成以上步驟后,將提前準備好的觸發用炸斷線綁在雷管上,期間可以進行炸藥卷分割,并注水封堵爆破孔。綁好雷管、炸藥分割完成后,爆破人員(1～2名)裝填炸藥。裝炸藥期間,TSP施作人員可以進行儀器連接組裝。

5)起爆及數據采集

待裝藥完畢,儀器組裝完畢,調試合格后進行逐個引爆工作,爆破時所有人員返回至爆破點50～80m距離安全區域。

6)編制報告

待全部爆破孔爆破完畢后,收取儀器,返回駐地進行數據處理,并在24h內完成報告。

4 預報結果對比分析

以2號斜井0+256.5—0+390段預報結果為例,進行對比分析。

4.1 超前水平鉆探預報結果

該段落共進行4次超前鉆孔,預報結果如下。

1)段落1 0+254—0+294 (見圖5)

圖5 0+254—0+294超前鉆孔波形Fig.5 Advanced borehole waveform of 0+254—0+294

由圖5可以看出,在里程0+278處沖擊壓力和推進壓力有所降低,隨后比較平穩,整體來看鉆機推進速度、回轉壓力、推進壓力均較平順,預報范圍內地質條件與當前掌子面類似,無地下水補給。

2)段落2 0+281—0+321(見圖6)

圖6 0+281—0+321超前鉆孔波形Fig.6 Advanced borehole waveform of 0+281—0+321

由圖6可以看出,0+287—0+296超前鉆孔鉆機推進速度和回轉壓力波動較大,均超過平均值,預測有軟弱破碎帶存在;水壓顯示比較平順,無地下水補給。

3)段落3 0+310—0+350(見圖7)

圖7 0+310—0+350超前鉆孔波形Fig.7 Advanced borehole waveform of 0+310—0+350

由圖7可以看出,0+310—0+350段超前鉆孔鉆機推進速度、回轉壓力、推進壓力均較平順,預報范圍內地質條件與當前掌子面類似,無地下水補給。0+340—0+390段與0+310～0+350段類似,無不良地質情況。

4)預報結果匯總

以上4段超前地質預報結果匯總如表3所示。

表3 超前鉆孔預報結果Table 3 Advanced drilling prediction results

4.2 地震波法(TSP)預報結果

該段落共進行1次地震波法超前預報,預報長度133.5m,地震波法反射層位及物理力學參數解析結果如下。

1)0+256.5—0+304段 縱波速度Vp為5 671～5 530m/s,橫波速度Vs為3 231～3 351m/s,泊松比0.26～0.22,動態楊氏模量80～78GPa。該段反射界面較多,縱、橫波波速總體變化不大;泊松比有所降低,動態楊氏模量變化較小,局部略有上升。

2)0+304—0+362段Vp為5 595～5 942m/s,Vs為3 231～3 372m/s,泊松比0.23～0.27,動態楊氏模量78～87GPa。該段反射界面較少,縱、橫波波速有所升高,泊松比總體呈上升趨勢,動態楊氏模量總體有所升高。

3)0+362—0+390段Vp為5 942～5 300m/s,Vs為3 372～3 058m/s,泊松比0.27～0.23,動態楊氏模量87～68GPa。該段反射界面較多,縱、橫波波速降低,泊松比總體先降低后升高,動態楊氏模量總體有所下降。

地震波法預報結果匯總如表4所示。

表4 地震波法預報結果Table 4 Prediction results of TSP

4.3 結果驗證及對比分析

4.3.1地質素描[8]結果

隧道開挖后,拍攝高分辨率現場照片,同時對每個循環進行現場地質素描。依據Q值系統使用手冊,結合開挖后揭示的巖石質量指標(RQD)、節理組數(Jn)、節理粗糙度系數(Jr)、節理面蝕變程度系數(Ja)、節理裂隙水折減系數(Jw)、地應力折減系數(SRF)6個指標,計算出Q值,對地層情況做出綜合評價,從而作為定義支護類型的依據,計算公式如下:

(1)

各掌子面素描情況如表5所示。

表5 地質素描結論Table 5 Geological sketch conclusion

4.3.2對比分析

根據預報結果分析,對于實際開挖后0+269.5—0+297段圍巖相對較破碎段,超前鉆探法和地震波法超前預報均比較準確;0+362—0+390段超前鉆孔預報相對準確,但TSP數據分析顯示有破碎帶存在,實際開挖后圍巖有變差趨勢,但尚未到達破碎帶。隨著后續的開挖顯示,圍巖的確相對當前掌子面較差,從0+388.9里程后圍巖Q值下降明顯,主要是由于該斜井縱坡為10.3%,且起始端位于150m小曲線半徑末端,造成在0+362—0+390段預報有一定里程偏差。

5 結語

1) 在鉆爆法隧道施工中,采用地震波法超前地質預報方案可行,同時可縮短每循環時間。

2) 當出現地下水、空洞或破碎帶等特殊地層時,可輔以超前鉆孔進行進一步驗證。

3) 對于海外工程項目,由于監理堅持按照設計方案實施,如需采用地震波法替代超前水平鉆探法,需要提前取得監理的同意。

4) 地震波法爆破孔若采用手持風鉆鉆孔,空壓機進洞作業,需提前獲得監理批復且有一定難度。若采用三臂臺車鉆孔,由于爆破孔縱向分布較長,臺車需要多次就位,占用循環時間。因此,需要和掌子面鉆孔協調安排。

5) 地震波法超前地質預報用于小曲線、大坡度隧道,應適當縮短一次性預報距離,以100～120m為宜[9]。

6) 超前水平鉆探法與 TSP 地震波反射法相結合的預報方法,輔以地表地質調查、洞內地質素描,能夠極大提高隧道內不良地質的分布及地下水的預測精度[10]。